Bocsánat, mégsem ez az évszázad részecskefizikai áttörése

A CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) megfigyelései között egyetlen biztató eltérést találtak a fizikusok a standard modellhez képest: egy olyan új részecske (X részecske) halvány nyomát a Higgs-bozon tömegének hatszorosa (750 GeV/c2) környékén, ami hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a Higgs-bozon, de egészen másképpen bomlik.

Az LHC 2016-os adatgyűjtésének egyik fő célja e részecske létezésének ellenőrzése volt. A megfigyelés bejelentése óriási izgalmat váltott ki a szakértők körében, mert kilépést jelentett volna a standard modell keretei közül.

Az új Higgs-bozont várták

Két nagy kísérletben, az ATLAS-ban és a CMS-ben is megfigyelték a részecske nyomait. Bár a mérési eredmények egyik esetben sem voltak teljesen meggyőzőek, mégis remény mutatkozott arra, hogy valami újat fedeztek fel.

A megfigyelés erősségét azzal fejezik ki, hogy a σ (szigma) mérési bizonytalanság hányszorosával emelkedik ki az új jelenség a zajból. A tárgyalt esetben ez csaknem akkora volt, mint a Higgs-bozon megfigyeléséé 2011 végén: 3 szigma körüli. A Higgs-bozon felfedezését 2012-ben mindenki ünnepelte; akkor mindkét kísérletnél ki tudták mutatni a felfedezési küszöböt, az 5 szigmát.

A kutatók ezért izgatottan várták, hogy a 2016-os LHC-adatok megerősítik-e az X részecske létezését. Az hozta lázba őket, hogy az X részecske ugyancsak kilógott a standard modell keretei közül. Egy 750 GeV tömegű, Higgs-bozonhoz hasonló X részecske nagyon sokféleképpen elbomolhat. Ez már a sokkal könnyebb Higgs-bozonra is igaz volt, és nagyobb tömegű részecskéknél nagyobb a más bomlási módok megnyilvánulásának valószínűsége is.

Először a Higgs-bozon megfigyelésére is három, majd később még több bomlási módozatot vizsgáltak. Az X részecske azonban látszólag csak a legvalószínűtlenebb, két nagyenergiás gamma-fotonra akart bomlani, a sokkal nagyobb valószínűségű bomlási csatornák nagyobb tömegű részecskékkel üresen maradtak nála.

Ez tette a 2015-ös halvány megfigyelést annyira izgalmassá, hogy közzététele után néhány hónapon belül több száz elméleti fizikai publikáció fejtegette, vajon miről lehet szó.

Alig várták, hogy újrainduljon az LHC

Horváth Dezső, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontja ésa CERN munkatársa az MTA-közleményben ismertette a vizsgálat módszerét. Eszerint feltételezték a részecsketömeget és a bomlási élettartamot, szimulálták a különböző lehetséges bomlásokat, és az eredményt összevetették az észleléssel.

Két gamma-fotonná csak S=0 vagy S=2-es perdületű, elektromosan semleges részecske tud bomlani. A 2015-ben gyűjtött teljes adathalmaz elemzése után 2016. június 16-án az ATLAS kísérlet eredményeit egy olyan cikkben részletezték, aminek 2861 szerzője volt. Eszerint a kétfotonos csatornában 750 GeV körüli tömeggel 3,8 szigma többletet látnak S=0 és 3,9σ többletet S=2 feltételezéssel.

A CMS kísérlet is látott többletet a 2015-ös adatokban, egészen közel, 760 GeV-nél, de valamivel kisebb jelentőséggel, csak 3,4 szigmával. A többi lehetséges és sokkal valószínűbb bomlási csatorna semmit nem mutatott.

A kutatók izgatottan várták az LHC 2016-os újraindulását, mert ez a 2015-ösnél sokkal nagyobb adathalmazt ígért: július végére már a tavalyi adatmennyiség ötszörösével szolgált. Ilyenkor az egymással versengő csoportok adatelemzését a korábbi adatokon és szimulációkon szabad csak finomítani; az új adatokhoz egy bizonyos időpontig nem szabad nyúlni, és csak a már előre elfogadott módszerek eredményeit veszik figyelembe.

Atlasz vállat von

Mindkét kísérlet 2016 legnagyobb részecskefizikai konferenciájára, a Chicagóban zajló, sok ezer résztvevős ICHEP-re időzítette az új eredmények bemutatását. A CMS-kísérlet már nyilvánosságra is hozta őket: az eredmények lehangolók és biztatók is egyszerre.

Az új adatok csökkentették az X részecske megfigyelésének jelentőségét: a 2015-ös adathalmaz sokszorosának analízisével a 750 GeV-es többlet lecsúszott az észlelhetőségi szint alá, 2 szigma környékére.

Ez egyrészt lehangoló, mert nem született új tudományos áttörés - pedig az évszázad részecskefizikai felfedezése lett volna, ha a fizikusok a standard modellnek ennyire ellentmondó jelenséggel találkoznak. Ugyanakkor megnyugtató, hogy az eddigi ismereteink és a standard modell továbbra is időtállók.

Az ATLAS kísérlet is azt bizonyította, hogy

Ilyen jelenséget már többször láthattunk, de ez nem mérési hiba: csupán újabb adalék ahhoz, hogy óvatosan kell közelítenünk a megrázónak tűnő új felfedezésekhez.

Az ICHEP konferencia ugyanakkor hihetetlen mennyiségű új adatot közöl: a négy nagy LHC-kísérlet több száz új eredményt küldött be előadásra. De még mindig nem látjuk jelét, hogy a standard modell kiterjeszthető lenne. Sem a szimpatikus szuperszimmetriának, sem a világegyetem sötét anyagát hordozó részecskéknek, sem a kezdetben olyan ijesztően hangzó mikroszkópikus fekete lyukaknak, sem a gravitációs kölcsönhatást esetleg közvetítő graviton részecskének a létezésére sincs bizonyíték.